Chap. N° 17

Une chimie du

développement

durable.

Cours.

 

   

 

Moteur de recherche sur les différents sites

 

 

 

 En travaux

I- La chimie durable.

1)- Les principes de la chimie durable.

2)- La chimie verte.

Les molécules ont été réalisées avec
Schemsketch Logiciel Gratuit

III- Une chimie douce bio-inspirée.

1)- Le concept.

2)- Un exemple :

construction d’un réseau de silice.

IV- Les agrosolvants.

1)- Solvants traditionnels.

2)- Solvants d’origine végétale.

3)- Questions.

4)- Réponses.

V- Oxydation hydrothermale par

l’eau supercritique.

1)- L’eau supercritique.

2)- Le traitement de déchets.

3)- Questions.

4)- Réponses.

VI- Le biodiesel : un agrocarburant.

1)- Introduction.

2)- Le biodiesel est-il durable ?

3)- Synthèse du biodiesel.

4)- Questions.

5)- Réponses.

VII- Les micro-ondes.

1)- Étude d’un texte scientifique.

a)-  Le texte :

b)-  Questions.

c)-  Réponses.

2)- Une synthèse d’ester.

a)-  Réaction et dosage.

b)- Dosages complémentaires.

c)-  Questions.

d)-  Réponses.

VIII- Économiser les atomes :

Exemple du phénol.

1)- Introduction.

2)- Procédé BASF.

3)- Procédé HOCK.

4)- Procédé DOW.

5)- L’économie d’atomes EA.

6)- Questions.

7)- Réponses.

IX- Le dioxyde de carbone :

séquestré ou valorisé.

1)- Introduction.

2)- Document.

3)- Questions.

4)- Réponses.

X- Applications.

1)- QCM.     QCM

2)- Calculer une économie d’atomes.

3)- Exercices :     Exercices


 En travaux

Exercices :     énoncé avec correction

a)- Exercice 5 page 452 : comprendre les enjeux de la chimie durable.

b)- Exercice 7 page 452 : utiliser des solvants alternatifs.

c)- Exercice 8 page 452 : limiter les sources de pollution.

d)- Exercice 9 page 453 : réduire l’émission de gaz à effet de serre.

e)- Exercice 11 page 453 : recycler les déchets.

f)- Exercice 12 page 454 : privilégier les ressources naturelles.

g)- Exercice 13 page 454 : capter le dioxyde de carbone.

h)- Exercice 15 page 455 : valoriser les déchets.

i)- Exercice 16 page 456 : limiter l’usage des solvants.

 

I- La chimie durable.

1)- Les principes de la chimie durable.

a)-  Définition :

-    La chimie durable s’inscrit dans une logique de développement durable.

-    Sa mise en œuvre industrielle veille à l’équilibre social, environnemental et économique :

-    Économiser et partager les ressources de manière équitable.

-    Utiliser des technologies qui polluent moins et consomment moins d’énergie.

-    Développer des procédés suffisamment efficaces et rentables.

b)-  La chimie : Un paradoxe sociétal.

-    La chimie est pour beaucoup un paradoxe : symbole à la fois de progrès et de pollution ou de danger.

-    Pourtant, pour leur survie et le confort, les sociétés ont de plus en plus besoins de produits chimiques pour :

-    Se nourrir,

-    Le traitement de l’eau afin de la rendre potable,

-    Produire des médicaments pour se soigner,

-    Produire de l’énergie,

-    La chimie est durable si sa mise en œuvre industrielle veille à l’équilibre social, environnemental et économique.

c)-  La chimie : un enjeu économique.

-    L’industrie chimique mondiale génère environ 2000 milliards d’euros de chiffre d’affaires par an (autour de 80 milliards en France en 2010) et des millions d’emplois (plus de 17000 en France en 2010, sans compter les emplois directs liés aux produits de l’industrie chimique).

2)- La chimie verte.

-    Les ressources de notre planète ne sont pas infinies et la capacité de la Terre à assimiler nos déchets à atteint ses limites.

-    La chimie doit se réinventer et entrer dans une nouvelle ère : l’ère de la chimie verte.

-    La chimie verte a pour but de limiter l’impact négatif de la chimie sur l’environnement ainsi que sur la santé des consommateurs et des travailleurs œuvrant dans l’industrie chimique.

-    Chimie verte et chimie durable sont souvent confondues :

-    Une chimie verte s’inscrit dans une chimie durable quand elle tient compte des aspects sociaux et économiques.

-    Le développement durable est une synthèse entre l’économie (produire), le social (répartir) et l’environnement (préserver).

-    Il doit répondre aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations future à satisfaire leurs propres besoins.

La chimie verte :

-    La chimie verte se propose d’agir sur cinq domaines : les matières premières, les solvants, l’énergie, les déchets et le produit fini.

-    La chimie verte prend en compte la gestion : des solvants, des matières premières, de l’énergie,  du produit fini et des déchets.

-    Les solvants :

-    Utiliser des solvants non toxiques et non polluants.

-    Les matières premières :

-    Limiter les quantités, économiser les atomes en valorisant toutes les molécules, préférer les réactions chimiques les moins dangereuses et les matières premières renouvelables.

-    L’énergie :

-    Limiter les dépenses énergétiques, rechercher de nouvelles sources d’énergie à faible teneur en carbone, utiliser des conditions opératoires douces (catalyseur, faible température, basse pression)

-    Le produit fini :

-    Concevoir un produit chimique présentant le moins de dangers possibles, concevoir un produit chimique en vue de sa dégradation.

-    Les déchets :

-    Limiter la production de déchets, valoriser ou recycler les déchets.

 La chimie verte est fondée sur 12 principes :

-    1. Limiter la pollution à la source,

-    2. Économiser les atomes,

-    3. Travailler avec des conditions opératoires sûres,

-    4. Concevoir des produits sûrs,

-    5. Rechercher des solvants alternatifs,

-    6. Économiser l’énergie,

-    7. Privilégier les ressources renouvelables,

-    8. Réduire les déchets,

-    9. Préférer les réactions catalysées,

-    10. Concevoir les produits dégradables,

-    11. Analyser en temps réel pour prévenir la pollution,

-    12. Réduire les risques accidents.

 La chimie du végétal :

-    C’est une partie très importante de la chimie verte.

-    Elle s’oriente vers l’utilisation des matières premières végétales.

 La chimie douce :

-    Elle aussi est une partie importante de la chimie verte.

-    Elle a pour ambition de synthétiser des matériaux en s’inspirant du vivant et en mettant en jeu des conditions opératoires plus douces :

-    Température modérée, pression atmosphérique plus basse,…)

II- Les bioplastiques.

1)- Définition.

-    Le terme bioplastique recouvre deux réalités distinctes selon qu’est prise en compte la ressource ou la fin de vie.

-    On appelle bioplastiques :

-    Les plastiques issus de matières premières végétales.

-    Les plastiques biodégradables issus de matières premières fossiles.

2)- Les bioplastiques biosourcés.

-    Les plastiques biosourcés sont issus de matières premières végétales (maïs, ricin, colza).

-    Ils ont des performances similaires aux plastiques issus du pétrole.

-    Leur intérêt provient du caractère renouvelable des ressources utilisées ainsi qu’un bilan carbone réduit.

-    Grâce à la synthèse chlorophyllienne, les plantes utilisées comme matières premières végétales consomme le dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre.

-    D’autre part, il faut tenir compte des faits suivants :

-    Le développement des agroressources peut entrer en concurrence avec les cultures destinées à l’alimentation.

-    L’impact environnemental doit être étudié en prenant en compte l’intégralité du processus de production (engrais, eau d’irrigation,…).

-    Certains bioplastiques ne sont pas biodégradables.

3)- Les bioplastiques biodégradables.

-    On qualifie de biodégradables, des plastiques biodégradables qu’ils soient issus de matières premières fossiles ou renouvelables.

4)- Questions.

* Rechercher la définition des mots et expressions suivantes :

-    Bilan carbone,

-    Matières premières fossiles ou renouvelables,

-    Ressources vivrières,

-    Matériau compostable.

5)- Réponses.

 Réponses :

-    Bilan carbone :

-    Outil de comptabilisation des émissions de gaz à effet de serre.

-    Matières premières fossiles :

-    Ressources naturelles non renouvelables (comme le pétrole), car le renouvellement nécessite des centaines de millions d’années.

-    Matières  premières  renouvelables :

-    Ressources  non tarissables, car leur vitesse de renouvellement est plus grande que leur vitesse de disparition.

-    Ressources vivrières :

-    Ressources issues d’une agriculture essentiellement tournée vers l’autoconsommation et l’économie de subsistance.

-    Matériau compostable :

-    Matériau pouvant être dégradé par des micro-organismes (champignons microscopiques et bactéries)

III-  Une chimie douce bio-inspirée.

1)- Le concept.

-    Le concept de chimie douce a pour ambition de synthétiser des matériaux en s’inspirant du vivant.

2)- Un exemple : construction d’un réseau de silice.

a)-  Documents :

Industriellement, les verres sont obtenus en chauffant du sable à très haute température aux alentours de 1500 °C. Dans la nature, des micro-organismes fabriquent ces matériaux à température ambiante, avec des performances souvent supérieures à celle de verre industriel.

Les diatomées, algues unicellulaires, s’entourent d’un exosquelette de silice SiO2, nommé frustule, dont la structure est similaire à celle du verre. Cette carapace est élaborée à partir de la silice dissoute dans l’eau sous forme d’acide silicique Si(OH)4, édifice tétraédrique (voir ci-contre). Grâce à des enzymes, la diatomée élimine une molécule d’eau entre deux tétraèdres pour les lier. À mesure que les tétraèdres s’associent, du « verre » est formé.

Les chimistes ont reproduit cette synthèse à partir de précurseurs d’acide silicique tels que les TMOS (tétraméthoxysilane) Si(OCH3)4.

Une hydrolyse donne d’abord les dérivés hydroxylés. Puis une polymérisation conduit à des espèces colloïdales qui forment des « sols » (solide dispersé dans une phase liquide). Le liquide finit par former un « gel » (liquide dispersé dans une phase solide) ; d’où le nom de procédé « sol-gel » donné à cette technique.

Le produit obtenu est un gel de silice hydraté (SiO2, n H2O).Utilisé sous cette forme, la matrice sol-gel peut servir à emprisonner et transporter des médicaments ou des enzymes à vertu thérapeutique dans le corps humain. Le gel ne permet pas d’élaborer un verre massif, car l’élimination d’eau conduit à une poudre. En revanche, par extrusion à température ambiante, il est possible d’obtenir des fibres de silice qui ont, par exemple, été utilisées dans les tuiles réfractaires de la navette Colombia.

Ces réactions, effectuées à température ambiante, peuvent être contrôlées, étape par étape, jusqu’au produit final : des matériaux répondant à des besoins spécifiques peuvent donc être ainsi fabriqués.

 

Les diatomées élaborent des carapaces de silice.

 

Construction d’un réseau de silice

 

 

a)-  Questions :

-    Qu’est-ce que la chimie douce ? Pourquoi la nomme-t-on ainsi ?

-    Rechercher des mots suivants trouvés dans le texte : unicellulaires, exosquelette, polymérisation, colloïdales, extrusion.

-    Écrire l’équation de la réaction globale conduisant à la silice à partir de l’acide silicique.

-    Écrire l’équation d’hydrolyse de TMOS.

-    Les précurseurs utilisés peuvent être aussi les TEOS (tétraéthoxysilane) : écrire leur formule.

-    Dans le cadre de la chimie verte, expliquer pourquoi cette technique est un gain en termes d’énergie et de produit fini.

b)-  Réponses :

-    La chimie douce : Elle aussi est une partie importante de la chimie verte.

-    Elle a pour ambition de synthétiser des matériaux en s’inspirant du vivant et en mettant en jeu des conditions opératoires plus douces :

-    Température modérée, pression atmosphérique plus basse,…)

-    Les mots :

-    Algue unicellulaire : algue formée d’une seule cellule.

-    Exosquelette : squelette externe qui protège un animal.

-    Réaction de polymérisation : c’est une réaction qui conduit à un polymère à partir d’un motif élémentaire le monomère.

-    Espèces colloïdales : c’est, une dispersion dans un solvant liquide, d’un soluté formé de particules de petites tailles (quelques nm à quelques mm).

-    Ce peut être aussi un agrégat de petites molécules (micelles).

-    Extrusion :

-    Procédé par lequel un matériau compressé est contraint de traverser une filière ayant la forme de la pièce à obtenir dans le but de former un produit long (tube, tuyau, profilé,…)

-    Équation  de la réaction globale conduisant à la silice à partir de l’acide silicique :

Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O

-    Équation d’hydrolyse de TMOS :

Si(OCH3)4 + 2 H2O Si(OH)4 + 4 HOCH3

-    Formule des précurseurs TEOS (tétraéthoxysilane) :

-    Si(OC2H5)4

-    Gain en termes d’énergie et de produit fini de la chimie verte :

-    Gain d’énergie car la synthèse s’effectue à température ambiante.

-    Il n’est pas nécessaire de chauffer.

-    Gain en termes de produit fini : le verre obtenu répond à des besoins spécifiques avec des performances souvent supérieures à celles du verre industriel.

IV- Les agrosolvants.

1)- Solvants traditionnels.

-    Les solvants traditionnels sont : l’eau et les solvants organiques.

-    Parmi les solvants organiques, on distingue :

-    Les solvants oxygénés : alcools, cétones, esters, éthers.

-    Les hydrocarbures : alcanes, composés aromatiques, …

-    Les solvants halogénés : les composés chlorés, les composés bromés, …

Remarque :

-    L’eau mise à part, aucun solvant n’est inoffensif.

-    Ils ont un impact non négligeable sur les organismes vivants et peuvent être cancérigènes, mutagènes ou reprotoxiques (CMR) lorsque l’exposition est régulière.

-    Les solvants représentent près du tiers des composés organiques volatils (COV) émis dans l’atmosphère.

 Tableau :

Type de

solvant

Nom

Formule topologique

Dangers

Composé

oxygéné

Acétone

 

 

H225, H319, H336

Hydrocarbure

Heptane

 

H225, H304, H315,

H336, H410

Composé

aromatique

Toluène

 

 

H225, H304, H315,

H336, H361d, H373

Composé

halogéné

dichlorométhane

 

 

H351

2)- Solvants d’origine végétale.

-    La substitution des solvants organiques usuels par des solvants d’origine végétale, appelés agrosolvants, constitue une alternative à l’épuisement du pétrole, mais aussi l’un des moyens de diminuer les dangers pour la santé et de réduire les coûts du recyclage.

Un exemple :

-    Par exemple, les esters méthyliques d’acides gras (EMAG) sont obtenus par réaction entre le méthanol et l’acide gras provenant des huiles végétales.

-    L’oléate de méthyle est ainsi obtenu à partir de l’acide oléique du colza ou du soja :

-    Acide oléique : C18H34O2

 

-    Oléate de méthyle : C19H36O2

 

-    Les EMGA ont une température d’ébullition relativement élevée (supérieure à 330 °C pour les EMGA de l’huile de colza ou de soja).

-    Leur concentration dans la zone respiratoire d’un travailleur est ainsi inférieure à 3,0 mg / m3.

-    Les EMGA irritent peu la peau et les voies respiratoires.

-    Ils sont biodégradables.

-    Seul le laurate de méthyle, préparé à partir de l'huile de coprah présenterait une toxicité aquatique préoccupante.

-    Laurate de méthyle : C13H26O2

 

-    Bien que combustibles, ils sont pratiquement ininflammables.

-    Enfin, les émulsions à l’eau de ces esters peuvent diminuer la viscosité et l’aspect gras qui leur sont reprochés.

-    Toutefois, la production des huiles végétales utilisées dans la fabrication des EMGA est préoccupante en raison notamment de l’eutrophisation engendrée par la culture des plantes oléagineuses.

3)- Questions.

-    À quelles familles chimiques appartient chaque solvant répertorié dans le tableau précédent ? Rechercher leurs dangers respectifs.

-    En utilisant les formules topologiques, écrire l’équation d’hydrolyse de l’oléate de méthyle, susceptible de se produire dans l’environnement.

-    Le méthanol obtenu est-il dangereux ? Commenter.

-    Justifier que l’ester contribue à une réduction des émissions de COV.

-    Pourquoi l’ester a-t-il un aspect gras ?  Pourquoi est-il un bon solvant pour les graisses ? Pourquoi cette molécule forme-t-elle une émulsion avec l’eau ? Justifier.

-    Quel est l’intérêt de remplacer les solvants pétrochimiques par des agrosolvants ?

4)- Réponses.

 Étude du tableau sur les solvants :

-    Acétone : composé organique oxygénée : c’est une cétone.

-    Heptane : hydrocarbure : alcane non cyclique.

-    Toluène : composé aromatique, comprend un noyau benzénique.

-    Dichlorométhane : composé halogéné, halogénoalcane.

 Dangers respectifs

-    H225 : Liquide et vapeurs très inflammables.

-    H319 : Provoque une sévère irritation des yeux.

-    H336 : Peut provoquer somnolence ou vertiges.

-    H304 : Peut être mortel en cas d’ingestion et de pénétration dans les voies respiratoires.

-    H315 : Provoque une irritation cutanée.

-    H410 : Très toxique pour les organismes aquatiques, entraîne des effets à long terme.

-    H361d : Susceptible de nuire au fœtus.

-    H373 : Risque présumé d’effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s’ils sont connus) à la suite d’expositions répétées ou d’une exposition prolongée (indiquer la voie d’exposition s’il est formellement prouvé qu’aucune autre voie d’exposition ne conduit au même danger).

-    H351 : Susceptible de provoquer le cancer (indiquer la voie d’exposition s’il est formellement prouvé qu’aucune autre voie d’exposition ne conduit au même danger).

 Équation d’hydrolyse de l’oléate de méthyle :

 Cas du méthanol :

 
Danger : H225, H301, H311, H331, H370

Inhalation

Toxique et peut être mortelle.

Peau

Assèchement

Yeux

Dangereux, Rend aveugle.

-    Le  méthanol, obtenu par hydrolyse de l’oléate de méthyle s’avère particulièrement dangereux.

-    Lorsque le texte annonce que l’oléate de méthyle est biodégradable, cela ne tient pas compte de la toxicité du produit de dégradation.

 Réduction des émissions de COV :

-    Composés organiques volatils : COV

-    Les esters méthyliques d’acides gras (EMAG) sont très peu volatiles, ils ont une température d’ébullition relativement élevée (supérieure à 330 °C pour les EMGA de l’huile de colza ou de soja).

 Étude de l’ester :

-    L’ester possède une longue chaîne carbonée, il est lipophile.

-    Il aime les graisses qu’il peut dissoudre.

-    D’autre part, l’ester possède une extrémité hydrophile.

-    Il peut former des émulsions avec l’eau.

 Solvants pétrochimiques et agrosolvants :

-    Certains principes de la chimie verte sont respectés :

-    3. Travailler avec des conditions opératoires sûres,

-    5. Rechercher des solvants alternatifs,

-    7. Privilégier les ressources renouvelables,

-    8. Réduire les déchets,

-    10. Concevoir les produits dégradables,

-    12. Réduire les risques accidents.

V- Oxydation hydrothermale par l’eau supercritique.

1)- L’eau supercritique.

-    L’eau peut se présenter sous trois états physiques (solide, liquide gazeux) en fonction de la température et de la pression.

-    Cependant, au-delà d’une température et d’une pression bien précises, caractérisant un point critique, l’eau entre dans son état supercritique où elle acquiert des propriétés intermédiaires entre celles du liquide et celles du gaz.

 Diagramme de phase de l’eau :

 

-    Dans ce domaine, souvent décrit comme la coexistence de domaines liquides et gazeux, il apparaît des fluctuations de densité qui sont probablement à l’origine des propriétés particulières du fluide.

-    Aussi dense qu’un liquide, il possède une bonne capacité de solvatation.

-    Sa faible viscosité associée à une diffusion moléculaire élevée, facilite le transport de matière.

-    L’eau supercritique peut agir à la fois comme solvant polaire et le plus étonnant, comme solvant apolaire.

2)- Le traitement de déchets.

-    Le traitement des déchets organiques toxiques peut être réalisé avec de l’eau supercritique.

-    Ce procédé repose sur la solubilisation des composés organiques et du dioxygène dans l’eau supercritique.

-    Les réactions d’oxydation sont alors favorisées et deviennent rapides et quasi totales.

-    Les composés organiques sont alors transformés majoritairement en dioxyde de carbone :

 Principe de l’oxydation hydrothermale (d’après S. SARRADE)

 

-    Lorsque l’eau est ramenée à l’état liquide, les éléments métalliques, les minéraux les hétéroatomes (Cl, N, S, etc.) se retrouvent dans la phase aqueuse, soit sous forme dissoute, soit sous forme de précipités.

-    Ainsi confinés en phase aqueuse, ils sont traités par des procédés physico-chimiques classiques (floculation, décantation, filtration, etc.)

-    Ce procédé d’oxydation hydrothermale permet l’élimination des déchets à relativement basse température, et ne produit ni oxydes d’azote NOx, ni oxydes de soufre SOx, contrairement aux incinérateurs classiques.

3)- Questions.

-    Rechercher le sens des mots et expressions suivantes : diffusion moléculaire, solvant polaire, solvant apolaire, floculation, décantation, filtration

-    Dans le diagramme de phase de l’eau, que représente le « Point triple » ? Donner ses caractéristiques. Déterminer le domaine d’existence de l’eau supercritique.

-    Pourquoi la solubilisation permet-elle d’accélérer les réactions d’oxydation ?

-    Comment l’eau supercritique peut-elle être ramenée à l’état liquide ?

-    Qu’entend-on par « forme dissoute » pour les minéraux ou les éléments métalliques ?

-    L’oxydation du dichlorométhane CH2Cl2 dans l’eau supercritique donne du dioxyde de carbone, de l’eau et un gaz hydrochloré soluble dans l’eau. Écrire l’équation de cette oxydation. Écrire l’équation de dissolution du gaz hydrochloré.

-    Le dioxyde de carbone peut être valorisé en l’utilisant comme fluide supercritique : en rechercher les usages.

4)- Réponses.

 Sens des mots et expressions suivantes :

-    Diffusion moléculaire : migration des molécules sous l’effet de l’agitation thermique.

-    Solvant polaire : solvant constitué de molécules qui possèdent un moment dipolaire non nul.

-    Exemple : la molécule d’eau

 

-    Solvant apolaire : solvant constitué de molécules qui possèdent un moment dipolaire nul.

-    Exemple :

-    La molécule de tétrachlorure de carbone est apolaire bien que la liaison C – Cl soit polarisée.

 

-    Floculation : phénomène au cours duquel les matières en suspension forment des flocons par ajout d’un floculant.

-    Décantation : séparation sous l’effet de la gravitation de plusieurs phases non miscibles, dont l’une au moins est liquide.

 

-    Filtration : séparation d’un mélange solide – liquide au travers d’un milieu poreux.

 

 Le point triple de l’eau :

-    C’est le point du diagramme où coexistent les trois états physiques : solide, liquide et gazeux.

-    Caractéristiques du point triple de l’eau : Tt = 273,16 K, Pt = 0,006 bar

-    Domaine d’existence de l’eau supercritique : TC > 374 K et PC = 221 bar

  Solubilisation et réaction d’oxydation :

-    Grâce à la solubilisation, il y a contact entre l’eau et les solutés.

-    L’eau supercritique peut être ramenée à l’état liquide en abaissant la température et la pression.

 Forme dissoute :

-    Les métaux et les minéraux sont sous forme d’ions. Les ions sont solubles d’eau qui est un solvant polaire.

 L’oxydation du dichlorométhane CH2Cl2 :

-    Équation de cette oxydation :

CH2Cl2  +   O2   + H2O   →   CO2   +   H2O   +  2 HCl

-    Équation de dissolution du gaz hydrochloré :

HCl (aq)   +   H2O (ℓ)   →   H3O+ (aq)   +   Cl (aq)

 

 Revalorisation du dioxyde de carbone :

-    Le dioxyde supercritique peut être utilisé comme solvant  (extraction de la caféine du café ; 

-    élimination  de la 2,4,6-trichloroanisole (TCA) des bouchons de liège pour supprimer le goût bouchonné au vin ;

-    extraction de composés biologiques) ou pour le transport et le stockage  lors  de la séquestration  géologique du dioxyde de carbone.

VI- Le biodiesel : un agrocarburant.

1)- Introduction.

-    Le biodiesel est un carburant de première génération produit à partir d’huile générale.

-    Dans un contexte d’accroissement des émissions de gaz à effet de serre, d’augmentation du prix du pétrole et de difficulté d’approvisionnement en ressources énergétiques, le biodiesel peut-il être une alternative ?

2)- Le biodiesel est-il durable ?

-    Le biodiesel est obtenu à partir du colza, du tournesol, etc.

-    Il est mélangé à 7 % en volume avec le gazole d’origine fossile.

-    L’utilisation des biodiesels pourrait permettre de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) jusqu’à 50 % (du puits à la roue) par rapport aux combustibles fossiles dans lesquels ils sont incorporés.

-    De même, leur efficacité énergétique serait de 2,2, en tenant compte d’une valorisation optimale des coproduits (tourteaux et glycérol) obtenus lors de la production des biocarburants.

-    Les tourteaux peuvent être utilisés dans l’alimentation animale et le glycérol dans l’industrie chimique.

-    En outre, pour obtenir une économie significative d’énergie, les résidus de culture (paille) pourraient être utilisés pour produire de l’énergie qui serait réinjectée dans le processus de fabrication des biocarburants.

-    Malheureusement, cette efficacité énergétique est limitée en raison des faibles rendements à l’hectare des cultures telles que celle du colza.

 Efficacité énergétique (EE) :

-    L’efficacité énergétique du biodiesel est le rapport entre l’énergie contenue dans le biodiesel et l’énergie non renouvelable primaire dépensée de la culture à la livraison.

3)- Synthèse du biodiesel.

-    Le biodiesel se présente actuellement sous forme d’ester méthyliques d’huiles végétales (EMHV)

-    L’ester éthylique (EEHV) est obtenu par transestérification d’une huile végétale avec le méthanol.

-    Exemple : le linoléate de glycéryle est l’un des triesters de l’huile de colza.

 

-    Les recherches actuelles tendent à montrer que l’EEHV aurait un comportement tout à fait comparable à l’EMHV.

 Protocole expérimental :

Protocole expérimental :

*  Dans un ballon de 250 mL, introduire 120 mL d’huile de colza, 60 mL d’éthanol et 1,1 g d’hydroxyde de potassium KOH (s).

*  Chauffer à reflux 50 min.

*  Laisser refroidir le mélange réactionnel, puis le verser dans un bécher contenant 150 mL d’eau salée saturée.

*  Agiter doucement le mélange à l’aide d’un agitateur en verre.

*  Laisser décanter 24 h environ.

*  À l’issue de la décantation, verser le mélange avec précautions (sans agiter) dans une ampoule à décantation et récupérer la phase organique supérieure contenant l’EEHV.

*  Sécher sur le sulfate de magnésium anhydre et filtrer.

4)- Questions.

-    Que signifient les expressions suivantes : le gazole d’origine fossile, gaz à effet de serre, du puits à la roue, tourteaux.

-    Qu’est-ce qu’une transestérification ?

-    L’un des produits est le glycérol : rechercher sa formule semi-développée et quelques exemples d’utilisation. Écrire l’équation de la réaction.

-    Préciser l’intérêt du chauffage à reflux.

-    Schématiser et légender le montage.

-    À partir du tableau ci-dessous :

-    Justifier pourquoi l’éthanol est introduit en excès ;

-    Commenter le protocole d’extraction de l’EEHV.

 

Huile de colza

Éthanol

EEHV

Glycérol

Éthanol

Miscible

Miscible

Miscible

Miscible

EEHV

Miscible

Miscible

Miscible

Miscible

Eau salée

Non Miscible

Miscible

Non Miscible

Miscible

5)- Réponses.

 Expressions  suivantes :

-    Le gazole d’origine fossile : gazole obtenu à partir du pétrole brut.

-    Gaz à effet de serre : gaz  absorbant  les rayonnements  IR émis par  la surface terrestre  et contribuant à l’effet de serre.

-    L’augmentation de leur concentration  dans l’atmosphère terrestre  serait à l’origine du réchauffement climatique récent.

-    Du puits à la roue :

-    Le calcul des émissions de GES (du puits à la roue) prend en compte les émissions de GES non seulement au niveau des gaz à échappement (du réservoir à la roue) mais également au niveau de la production des carburants (du puits au réservoir).

-    Tourteaux : résidu obtenu après pressage des graines des oléagineux.

 Une transestérification :

-    Synthèse d’un ester à partir d’un autre ester et d’un alcool.

 Le glycérol :

-    Le glycérol est un trialcool : le propan-1, 2,3 -triol

-    Formule :

 

-    Utilisation :

-    Le glycérol est un sous-produit de la saponification.

-    On peut le récupérer par distillation.

-    Il est utilisé dans les médicaments (suppositoires, sirops, etc.), en cosmétique (agent hydratant), dans l’alimentation (émulsifiant, humectant, etc.).

-    Équation de la réaction : transestérification à partir de l’éthanol

 

Le chauffage à reflux :

-    On chauffe pour accélérer la réaction qui est lente à température ambiante.

-    On chauffe aussi pour rendre le milieu réactionnel plus homogène.

-    Le chauffage à reflux permet de chauffer tout en évitant les pertes par évaporation.

-    Ce montage permet de maintenir le milieu réactionnel à une température constante, en l'occurrence pratiquement la température d'ébullition du solvant.

-    Les vapeurs sont condensées dans le réfrigérant et retournent à l'état liquide dans le ballon.

-    Les réactifs et les produits restent dans le milieu réactionnel.

-    Il permet d’accélérer la réaction sans perte de matière.

             Schéma du montage :

Chauffage à Reflux

 

1– Colonne réfrigérante

2– Ballon

3– Chauffe-ballon

4– Sortie de l’eau

5– Arrivée de l’eau

6– Mélange réactionnel

7– Vallet

 Exploitation du tableau :

-    Éthanol introduit en excès :

-    L’éthanol est introduit en excès, car il joue également le rôle de solvant afin que les réactifs soient en contact ;

-    La réaction s’effectue ainsi en milieu homogène.

-    Protocole d’extraction :

-    Le relargage à l’eau salée permet d’éliminer l’éthanol et le glycérol de la phase organique (ainsi que la potasse) :

-    On récupère alors l’EEHV qui n’est pas miscible dans l’eau salée.

-    On est en présence d’une phase aqueuse et d’une phase organique qui surnage.

VII- Les micro-ondes.

1)- Étude d’un texte scientifique.

a)-   Le texte :

-    Certains chercheurs utilisent « l’énergie des micro-ondes produites par des fours domestiques comme mode de chauffage d’un milieu réactionnel[…]»

-    [La fréquence] des ondes produites par les fours à micro-ondes [est égale à ] 2450 MHz […]

-    Les micro-ondes pénètrent de façon assez considérable dans la matière, et peuvent donc augmenter l’agitation thermique au sein d’un matériau sans passer par le biais de la conduction thermique.

-    De la tasse froide récupérée en fin de chauffage, jusqu’à ce que la conduction thermique ait finalement le temps de s’établir.

-    En particulier, le chauffage par micro-ondes permet une activation thermique […] de façon très rapide.

-    Ceci permet de limiter lors du chauffage du milieu réactionnel, les réactions parasites qui diminuent les rendements de réaction. »

D’après C. Bureau et M. De Franceschi

Des teintures égyptiennes aux micro-ondes. ELLIPSES. 1998

b)-  Questions.

-    Calculer la longueur d’onde, dans le vide, des micro-ondes. S’agit-il d’ondes micrométriques ? Rechercher pourquoi le terme « micro » a été donné à ces ondes.

-    Expliquer les expressions suivantes : conduction thermique, activation thermique

-    En termes énergétiques, quel avantage présente les micro-ondes par rapport au chauffage traditionnel ?

-    Expliquer pourquoi l’utilisation des micro-ondes est un gain en termes de déchets.

c)-   Réponses.

             Longueur d’onde, dans le vide, des micro-ondes :

-     

-    Le préfixe «  micro- » est utilisé pour des ordres de grandeurs de l’ordre de 10–6 m.

-    Le terme « micro » n’est donc pas un terme adapté.

 

 

-    Les micro-ondes ont une longueur d’onde intermédiaire entre l’infrarouge et les ondes de radiodiffusion.

-    Le terme de « micro » est employé, car les longueurs d’onde sont plus courtes que celles de la bande VHF, utilisée par les radars de la Seconde Guerre mondiale.

 Les expressions suivantes : conduction thermique, activation thermique

-    Conduction thermique :

-    Si l'on chauffe l'extrémité d'une barre métallique, on remarque que la température de l'autre extrémité augmente très vite. Les particules de la partie chaude communiquent une partie de l'agitation thermique aux particules voisines et ainsi de suite. L'agitation thermique se transmet de proche en proche de la région chaude vers la région froide sans transport de matière.

-    Activation thermique :

-    La plupart des réactions sont plus rapides lorsque la température s’élève. Par conséquent si la température augmente, la vitesse augmente.

 Avantage des micro-ondes :

-    Les micro-ondes présentent une économie d’énergie.

 Utilisation des micro-ondes :

-    L’utilisation des micro-ondes est un gain en termes de déchets car on diminue les réactions parasites et ainsi la formation de produits indésirables.

2)- Une synthèse d’ester.

a)-   Réaction et dosage.

 Observer les pictogrammes mentionnés sur les réactifs utilisés.

-    Rechercher les risques que peut présenter leur utilisation et s’organiser en conséquence.

Protocole expérimental :

*  Dans un bécher sec, introduire, à l’aide de pipettes graduées sèches, V0 = 11,4 mL d’acide acétique pur et V1 = 21,6 mL de 3-méthylbutan-2-ol (alcool isoamylique).

*  Ajouter V2 = 1,0 mL d’acide sulfurique concentré.

*  Homogénéiser.

*  En introduire V = 5,0 mL, prélevés à la pipette jaugée dans un erlenmeyer sec de 250 mL.

*  Regrouper les erlenmeyers des différents groupes, les positionner sur le bord du plateau tournant d’un four à micro-ondes et les irradier 20 s, puissance 800 W.

*  Homogénéiser les mélanges, puis les irradier 10 s.

*  Sortir les erlenmeyers du four, laisser refroidir quelques minutes, puis ajouter 50 mL d’eau glacée et quelques gouttes de phénolphtaléine dans chacun d’entre eux.

*  Ajouter, à l’aide d’une burette graduée, une solution de soude de concentration Cb = 2,0 mol . L–1

*   Noter le volume équivalent VE1 pour lequel la coloration rose persiste.

b)-  Dosages complémentaires.

Protocole expérimental :

*  Dans un bécher, introduire 33,0 mL d’eau distillée et 1,0 mL d’acide sulfurique concentré. Homogénéiser.

*  En prélever 5,0 mL et les introduire dans un erlenmeyer.

*  Y ajouter quelques gouttes de phénolphtaléine.

*  Ajouter, à l’aide d’une  burette graduée, une solution de soude de concentration Cb = 2,0 mol . L–1

*   Noter le volume équivalent VE2 pour lequel la coloration rose persiste.

c)-   Questions.

-    Écrire l’équation de la réaction de synthèse.

-    Déterminer les quantités de matière initiales n0 d’alcool et n1 d’acide acétique dans le mélange réactionnel.

-    Montrer que la quantité finale nf d’acide acétique dans le mélange réactionnel est donnée par :

-    nf = Cb . (VE1 VE2 )

-    Calculer la valeur de nf.

-    En déduire la quantité de matière nE d’ester formé, puis le rendement de l’estérification.

-    Cette même synthèse réalisée à l’aide d’un chauffage à reflux de 30 min conduit à un rendement de 66 %. Commenter.

-    Données :

-    d0 = 0,81 et d1 = 1,08

-    VE1 = 5,5 mL et VE2 = 2,5 mL

d)-  Réponses.

             Les réactifs :

Acide

acétique

 

  

 

H226 :

Liquides et vapeurs inflammables.

H314 :

Provoque de graves brûlures

de la peau et des lésions oculaires.

3-méthylbutan-2-ol

(alcool

isoamylique)

Alcool

Primaire

 

 

 

 

H226 :

Liquides et vapeurs inflammables.

H332 :

Nocif par inhalation.

H335 :

Peut irriter les voies respiratoires.

Acide

sulfurique

 

 

 

H290 : 

Peut être corrosif pour les métaux

H314 :

Provoque de graves brûlures

de la peau et des lésions oculaires.

 

 

M g / mol

densité

q ébullition °C

Solubilité dans l'eau

Acide éthanoïque

60,0

1,08

118,2

Grande

Alcool isoamylique

88,0

0,81

128

Faible

Éthanoate de 3-méthylbutyle

130

0,87

142

Très faible

 

 Équation de la réaction de synthèse :

 

-    Quantité de matière initiale n0 d’alcool :

-    V0 = 21,6 mL de 3-méthylbutan-2-ol (alcool isoamylique)

-    Masse volumique de l’eau : ρeau = 1,00 g . mL–1.

-     

-    Quantité de matière n1 d’acide acétique :

-    V1 = 11,4 mL d’acide acétique pur

-     

-    Lors du premier dosage, on dose l’acide sulfurique et l’acide acétique restant :

-    ntotal = Cb . VE1

-    Lors du deuxième dosage, on ne dose que l’acide sulfurique :

-    nacide sulfurique = Cb . VE2

-    La quantité finale (ou restante) d’acide acétique est donnée par la relation suivante :

-    nf ntotal nacide sulfurique

-    nf Cb . VE1 Cb . VE2

-    nf = Cb . (VE1 VE2 )

-    Valeur de nf :

-    nf = Cb . (VE1 VE2 )

-    nf ≈ 2,0 x (5,5 – 2,5) x 10–3

-    nf ≈ 6,0 x 10–3 mol

-    Tableau d’avancement :

-    On travaille avec V = 5,0 mL du mélange réactionnel.

-    Le volume total du mélange réactionnel est Vt = V0 + V1 + V2 =  34,0 mL

-    Quantité de matière dans V = 5,0 mL du mélange réactionnel

Équation

bilan

 

C2H4O2

(acide acétique)

 

+ C5H12O

(3-méthylbutan-1-ol)

 

C7H14O2

Ester

 

H2O  (ℓ)

 

État du

système

Avanc.

n’0 (mol)

n’1 (mol)

 

n’E (mol)

n3 (mol)

État initial

x = 0

n’1

 

0

0

État

intermédiaire

x

n’0 –  x

n’1 –  x

 

x

x

État

final

xmax

n’0xmax = nf

nf ≈ 6,0 x 10–3

n1xmax

 

xmax

xmax

-    On tire la valeur de xmax :

-    xmax = n0 nf ≈ 2,9 x 10–2 – 6,0 x 10–3

-    xmax ≈ 2,3 x 10–2 mol

-    Quantité de matière d’ester obtenu :

-    n’E = xmax ≈ 2,3 x 10–2 mol

-    Ceci pour 5,0 mL du mélange réactionnel :

-    Ramené à 34 mL du mélange réactionnel, la quantité de matière d’ester formé est donnée par la relation :

-     

-    Rendement de la réaction :

-    On appelle rendement, noté ρ, de la synthèse, le quotient de la quantité de produit P effectivement obtenue nE par la quantité maximale attendue nmax :

-   

-    Commentaire :

-    On est en présence d’un alcool primaire.

-    Le rendement attendu dans ce cas est de 66 % lorsque les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques.

-    Ce qui est pratiquement le cas ici (n0 ≈ 0,20 mol et n1 ≈ 0,205 mol).

-    Le rendement est nettement supérieur à 66 % lorsque l’on utilise le four à micro-ondes.

-    Ici, il y a un déplacement d’équilibre chimique dû au fait que, sous l’effet des micro-ondes,  l’eau s’évapore au fur et à mesure qu’elle se forme et disparaît du mélange réactionnel.

-    L’utilisation du four à micro-ondes permet d’économiser l’énergie pour un rendement meilleur :

-    C’est la chimie verte. (30 s de four à micro-ondes à 800 W et un rendement de 80 % contre 30 min de chauffage à reflux et un rendement de 66 %)

VIII- Économiser les atomes : exemple du phénol.

1)- Introduction.

-    Pour minimiser les quantités de déchets produits, la chimie verte se propose de réduire les sous-produits lors d’une réaction.

-    Comment mesurer l’efficacité des procédés visant à économiser les atomes ?

 Exemple : Préparation du phénol

-    Le phénol est un intermédiaire de synthèse de nombreux produits chimiques comme l’aspirine.

-    Jadis, le phénol était préparé par distillation du goudron de houille. Cette méthode a été abandonnée car l’énergie nécessaire était trop importante.

-    Le phénol se présente sous forme de cristaux.

Le phénol

 

 

 

 

H301 : Toxique en cas d’ingestion.

H311 : Toxique par contact cutané.

H314 : Provoque de graves brûlures de la peau et des lésions oculaires.

H331 : Toxique par inhalation.

H341 : Susceptible d’induire des anomalies génétiques (indiquer la voie d’exposition s’il est formellement prouvé qu’aucune autre voie d’exposition ne conduit au même danger)

H373 : Risque présumé d’effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s’ils sont connus) à la suite d’expositions répétées ou d’une exposition prolongée (indiquer la voie d’exposition s’il est formellement prouvé qu’aucune autre voie d’exposition ne conduit au même danger)

 

2)- Procédé BASF.

-    En 1899, le groupe BASF met au point la synthèse du phénol par sulfonation du benzène C6H6.

-    Ce procédé comporte plusieurs étapes, mais on peut néanmoins écrire le bilan global de la réaction :

C6H6

+ H2SO4

+ 2 NaOH

C6H5OH

+ Na2SO3

+ 2 H2O

-    La faible économie d’atomes due à une forte production de déchets demeure son principal inconvénient.

-    Le procédé est abandonné dans les années 1960.

 L’économie d’atomes : EA (ou utilisation atomique UA)

-    Définition de l’économie Atomique (EA) d’une synthèse :

-    C’est le rapport de la masse molaire du (ou des) produit(s) recherché(s) sur la somme des masses molaires de tous les produits formés en tenant compte des coefficients stœchiométriques. 

-    Lorsque les sous-produits ne sont pas tous  identifiés, la conservation de la matière permet de remplacer le dénominateur par la somme des masses molaires de tous les réactifs :  

-     

-    Plus cet indicateur est proche de 1 (100%), plus le procédé est efficace en termes d’économie atomique et moins il génère de déchets.

-    C’est un indicateur qui mesure l’efficacité des procédés.

-    Il est défini comme le rapport de la masse molaire du (ou des) produit(s) recherché(s), sur la somme des masses molaires des réactifs (en tenant compte des nombres stœchiométriques) :

-     

-    Avec ai et bi nombres stœchiométriques.

-    Plus cet indicateur est proche de 1 (100 %) plus le procédé est efficace en termes d’économie d’atomes et moins le procédé génère de déchets.

3)- Procédé HOCK.

-    Aujourd’hui, plus de 90 % de la production de phénol est basée sur l’oxydation du cumène, lui-même obtenu à partir du benzène.

-    Ce procédé, dit « HOCK », est essentiellement catalytique.

-    La réaction se déroule en trois étapes :

*  Synthèse du cumène :

 

*  Oxydation douce du cumène :

 

*  Décomposition en phénol :

 

-    Le bilan de la réaction peut s’écrire :

C6H6

+ C3H6

+ O2

C6H5OH

+ CH3COCH3

-    L’acétone, coproduit de la réaction est valorisée industriellement de sorte que l’économie d’atomes est de 100 %.

4)- Procédé DOW.

-    Le procédé DOW est un procédé catalytique en deux étapes qui permet d’obtenir environ 5 % de la production mondiale de phénol à partir du toluène.

*  Première étape :

 

*  Deuxième étape :

 

-    Le bilan peut s’écrire :

C6H5CH3

+ 2 O2

C6H5OH

+ CO2

+ H2O

-    Ce procédé génère peu de sous-produits en d’impuretés.

-    Il permet une économie d’atomes élevée.

-    Cependant, il nécessite trois à quatre fois plus d’énergie que le procédé HOCK.

5)- L’économie d’atomes EA.

-    C’est un indicateur qui mesure l’efficacité des procédés.

-    Il est défini comme le rapport de la masse molaire du (ou des) produit(s) recherché(s), sur la somme des masses molaires des réactifs (en tenant compte des nombres stœchiométriques) :

-     

-    Avec ai et bi nombres stœchiométriques.

-    Plus cet indicateur est proche de 1 (100 %) plus le procédé est efficace en termes d’économie d’atomes et moins le procédé génère de déchets.

6)- Questions.

-    Rechercher les utilisations du phénol et de l’acétone (ou propanone).

-    Rechercher les noms des chimistes qui ont synthétisé le phénol à partir du benzène.

-    Calculer l’économie d’atomes EA des trois procédés, puis commenter les phrases en italique dans le texte.

-    Dans le premier et le troisième procédé, que peut-on penser de la prise en compte de l’eau comme déchet à recycler ?

-    Pourquoi le procédé DOW est-il moins utilisé que le procédé HOCK ?

7)- Réponses.

Utilisations du phénol :

-    Le phénol est utilisé dans de nombreuses synthèses de produits pharmaceutiques et de parfums.

-    En médecine, il est surtout utilisé comme antiseptique puissant.

-    Il est utilisé pour la préparation de la phénolphtaléine, un indicateur de pH bien connu des chimistes.

 Utilisations de l’acétone :

-    L'acétone est un solvant très utilisé dans l'industrie et en laboratoire car elle a l'avantage de solubiliser de manière particulièrement rapide de nombreuses espèces organiques et parce qu'elle est miscible avec l'eau.

-    C'est également un composé à la base de la fabrication de plastiques, de médicaments, et autres produits issus de l'industrie de synthèse.

-    L'acétone est également le principal constituant de certains dissolvants utilisés pour retirer le vernis à ongles.

-    Elle est également utilisée comme dissolvant pour dissoudre la colle et les fibres cellulosiques.

-    Il est recommandé de ne pas utiliser d'acétone sur les fibres artificielles (acétate, triacétate et acrylique).

-    L'acétone est également utilisée pour le dégraissage industriel.

L’acétone

 

 

 

 

 

 

 

H225 : Liquide et vapeurs très inflammables

H319 : Provoque une sévère irritation des yeux.

H336 : Peut provoquer somnolence ou vertiges

 

 

 Synthèse du phénol à partir du benzène :

-    Le phénol fut découvert à l'état impur par Johann Rudolf Glauber en 1650 à partir de la distillation du goudron de houille.

-    Il le décrit comme « une huile vive et rouge de sang qui assèche et guérit tous les ulcères humides ».

-    En 1834, Friedrich Ferdinand Runge parvient à l'isoler et le nomme alors acide carbolique.

-    Il fut synthétisé et manufacturé en 1889 par la firme BASF.

 Économie d’atomes EA des trois procédés :

*  Procédé BASF :

C6H6

+ H2SO4

+ 2 NaOH

C6H5OH

+ Na2SO3

+ 2 H2O

-    

*  Procédé HOCK :

C6H6

+ C3H6

+ O2

C6H5OH

+ CH3COCH3

-     

-    En tenant compte de l’acétone :

-     

*  Procédé DOW :

C6H5CH3

+ 2 O2

C6H5OH

+ CO2

+ H2O

-     

-    Remarques :

-    Un procédé est d’autant plus efficace que l’EA est proche de 1.

-    En prenant en compte l’acétone dans le calcul de l’EA2, le résultat est égal à 1 :

-    La valorisation industrielle de l’acétone contribue donc à une efficacité accrue du procédé HOCK.

-    Si l’on ne tient pas compte de l’eau comme déchet à recycler, l’EA dans chacun des procédés va augmenter.

-    Le procédé DOW consomme lui trois à quatre fois plus d’énergie.

IX- Le dioxyde de carbone : séquestré ou valorisé.

1)- Introduction.

-    Le dioxyde de carbone rejeté par les activités humaines est en partie responsable du réchauffement climatique.

-    Pour éviter son rejet dans l’atmosphère, il peut être séquestré ou valorisé.

2)- Document.

-    Avec la raréfaction annoncée du pétrole et du gaz naturel (et donc l’augmentation inévitable de leurs prix), les controverses autour des centrales nucléaires et la difficile émergence des énergies renouvelables, la production d’énergie (notamment électrique) à partir du charbon, bon marché et abondant, est une solution sur laquelle beaucoup de pays ont misé.

-    Malheureusement, l’utilisation de ce combustible produit énormément de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre.

-    Des méthodes de « captage-stockage », pour empêcher le dioxyde de carbone de s’échapper dans l’atmosphère, sont à l’à l’étude.

-    Les méthodes de captage différent selon le type de centrale utilisé.

-    Dans les centrales classiques qui brûlent du charbon pour transformer l’eau liquide en vapeur pour faire tourner des turbines génératrices d’électricité, le captage ne peut se faire qu’en sortie de cheminée.

-    En revanche, dans les centrales fondées sur le cycle combiné à gazéification intégrée (CCGI), le charbon est converti en gaz de synthèse, le « syngas », en présence de dioxygène et d’eau.

-    Ce gaz est principalement constitué de dihydrogène et de monoxyde de carbone.

-    Le dihydrogène sert de carburant dans la centrale.

-    Le monoxyde de carbone est transformé en dioxyde de carbone qui est capté et stocké.

-    Pour le stockage du dioxyde de carbone, on distingue plusieurs procédés dont la séquestration souterraine dans les gisements épuisés de pétrole ou de gaz, des aquifères marins, etc.

 Différents procédés de séquestration sont étudiés :

 

-    Cependant, cette séquestration présente des dangers comme le relargage soudain de dioxyde de carbone.

-    Des procédés de captation par des organismes photosynthétiques, tels que les algues sont à l’étude (bioséquestration).

-    Une tonne d’algues peut absorber près de deux tonnes de dioxyde de carbone pour sa croissance.

-    Les huiles produites par les algues pourraient être utilisées, après raffinage, comme biocarburant de troisième génération.

-    Très gourmandes en énergie, ces techniques ne dispensent pas l’humanité de restreindre ses rejets de gaz à effet de serre.

3)- Questions.

-    Définir les expressions suivantes : gaz à effet de serre, aquifères, organismes photosynthétiques.

-    Quel danger peut présenter un relargage soudain de dioxyde de carbone ?

-    Discuter quelques avantages et inconvénients des procédés de séquestration et de valorisation dans la perspective d’une chimie verte.

-    À partir des systèmes décrits ci-dessous, écrire les équations des réactions de conversion du charbon en « syngas ».

Carbone, eau

Monoxyde de carbone, dihydrogène

 

 

 

Carbone, dioxygène

Dioxyde de carbone

 

 

 

Dioxyde de carbone, carbone

Monoxyde de carbone

 

 

 

Monoxyde de carbone, eau

Dioxyde de carbone, dihydrogène

 

4)- Réponses.

Expressions en italiques :

-    Gaz à effet de serre : gaz  absorbant  les rayonnements  IR émis par  la surface terrestre  et contribuant à l’effet de serre.

-    L’augmentation de leur concentration  dans l’atmosphère terrestre  serait à l’origine du réchauffement climatique récent.

-    Aquifères : roche perméable comportant une zone conductrice d’eau souterraine permettant l’écoulement et le captage d’une nappe souterraine.

-    Organismes photosynthétiques : organismes pratiquant la photosynthèse qui permet aux plantes et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du soleil.

 Relargage du dioxyde de carbone :

-    Lors du relargage du dioxyde de carbone, il peut y avoir un danger d’asphyxie car le dioxyde de carbone est plus dense que l’air.

 Avantages et inconvénients des procédés de séquestration et de valorisation du dioxyde de carbone :

-    Avantages : limitation des émissions de GES et du réchauffement climatique ; synthèse de biocarburants par les algues.

-    Inconvénients : procédés énergétivores, risque de relargage lors du procédé par injection et stockage.

 Équations des réactions de conversion du charbon en « syngas » :

  +      H2O

           Carbone       Eau

CO        +       H2

Monoxyde de carbone     Dihydrogène 

 

 

 

C       +       O2

Carbone       Dioxygène

CO2

Dioxyde de carbone

 

 

 

CO2           +          C

Dioxyde de carbone     Carbone

2 CO

Monoxyde de carbone

 

 

 

CO                  +        H2O

Monoxyde de carbone          Eau

CO2        +        H2

Dioxyde de carbone        Dihydrogène

 

X- Applications.

1)- QCM.

2)- Calculer une économie d’atomes.

a)-  Énoncé :

-    Avant 1950, l’acrylonitrile était fabriqué à partir d’acétylène et de cyanure d’hydrogène :

HC = CH

+ HCN

CH2 = CH – CN

(1)

  Le cyanure d’hydrogène :

CYANURE

D’HYDROGÈNE

HCN

 

 

 

H225 : Liquide et vapeurs extrêmement inflammables

H330 : Mortel par inhalation.

H410 : Très toxique pour les

organismes aquatiques,

entraîne des effets néfastes à long terme.

-    Le procédé de fabrication du cyanure d’hydrogène était simple, mais inadapté à une production importante, et celui de l’acétylène est cher.

-    Depuis 1957, l’acrylonitrile est fabriqué à partir du propène :

2 CH2 = CH – CH3

+ 2 NH3

+ O2

2 CH2 = CH – CN

+ 6 H2O

(2)

a)-  Questions :

-    L’économie d’atomes EA est définie comme le rapport de la masse molaire du (ou des) produit(s) recherché(s), sur la somme des masses molaires des réactifs (en tenant compte des nombres stœchiométriques) :

-     

-    Avec ai et bi nombres stœchiométriques.

-    Calculer l’économie d’atomes des réactions. Commenter.

-    En considérant que l’eau n’est pas un déchet, quelle valeur prend l’économie d’atomes de la réaction (2) ?

-    Rechercher les dangers du cyanure d’hydrogène. Commenter l’abandon du procédé.

-    Une réaction parasite peut se produire :

CH2 = CH – CH3

+ 3 NH3

+3 O2

3 HCN

+ 6 H2O

(3)

-    Doit-on nuancer les réponses données aux questions précédentes ?

a)-  Réponses :

 Économie d’atomes de la réaction (1) :

HC = CH

+ HCN

CH2 = CH – CN

(1)

-     

 Économie d’atomes de la réaction (2) :

2 CH2 = CH – CH3

+ 2 NH3

+ 3 O2

2 CH2 = CH – CN

+ 6 H2O

(2)

 

-     

-    L’économie d’atomes est plus grande pour le procédé (1).

 Si l’eau n’est pas comptée comme déchets :

-     

-    Si l’eau n’est pas comptée comme déchet EA2 = 1,0

 Les dangers du cyanure d’hydrogène :

-    Le cyanure d’hydrogène est extrêmement inflammable, mortel par inhalation et très toxique pour les organismes aquatiques.

-    Le procédé à partir du cyanure d’hydrogène a été abandonné pour travailler dans des conditions opératoires plus sûres et déduire ainsi les risques d’accidents.

 La réaction parasite :

-    Cette réaction produit du cyanure d’hydrogène :

-    C’est un déchet, donc la valeur de l’économie d’atomes EA2 prend de ce fait une valeur plus faible.

-    De plus le cyanure d’hydrogène présente des dangers pour l’homme et les organismes aquatiques.

3)- Exercices : Exercices : énoncé avec correction

a)-   Exercice 5 page 452 : comprendre les enjeux de la chimie durable.

b)-  Exercice 7 page 452 : utiliser des solvants alternatifs.

c)-   Exercice 8 page 452 : limiter les sources de pollution.

d)-  Exercice 9 page 453 : réduire l’émission de gaz à effet de serre.

e)-   Exercice 11 page 453 : recycler les déchets.

f)-   Exercice 12 page 454 : privilégier les ressources naturelles.

g)-  Exercice 13 page 454 : capter le dioxyde de carbone.

h)-  Exercice 15 page 455 : valoriser les déchets.

i)-    Exercice 16 page 456 : limiter l’usage des solvants.